長距離輸水隧洞TBM掘進過程圍巖穩定性探討

金雪紅

(北京峽光經濟技術咨詢有限責任公司新疆分公司，烏魯木齊 830000)

TBM掘進在很多供水工程建設中均有運用，為了提升供水供電工程的順利進行，要求加強對長距離輸水隧洞TBM掘進過程的有效研究。TBM掘進破巖過程包括盤刀進入巖體與兩盤刀間生成巖石碎片兩個階段，隨著盤刀推力繼續增加，掘進過程受到圍巖的限制，在盤刀的邊緣處和底部會出現，錐形裂紋以及壓碎區[1]。

1 TBM掘進破巖過程分析

長距離輸水隧洞TBM掘進過程中，在TBM盤刀推力逐漸增加時，巖石會逐漸向兩側位置擴張，并逐漸壓實，使巖石內部出現放射狀裂紋，TBM盤刀即能夠進入巖體，側向裂紋擴張到巖石表面過程中，形成了巖石碎片，出現了巖石碎片的動能，可顯著降低圍巖反力，因此盤刀能夠侵入一定深度的巖體內，一般設置5-15mm貫入深度，詳見圖1。

圖1 盤刀進入巖體

TBM盤刀滾過掌子面過程中，會擴張巖石產生的裂紋，構成巖石碎片并脫離掌子面過程，相鄰盤刀之間的巖石會分離并錯。由此可知，巖石力學特性、盤刀間距、載荷等因素共同影響著盤刀間的相互作用在這些作用力達到最佳配置的情況下，裂紋能夠向臨近盤刀平直擴張，即形成了掘進機破巖過程。

2 長距離輸水隧洞TBM掘進過程圍巖穩定性探討

長距離輸水隧洞TBM掘進過程中一旦出現圍巖的破壞或過大變形等圍巖不穩定現象，對工程施工的順利進行即會造成極為嚴重的后果。地質因素、施工因素等共同影響著圍巖穩定性。

2.1 地質結構

巖體結構、特殊地質條件、巖性、裂隙分布等共同影響著圍巖穩定性，巖石各向異的程度、強度量級等層面可通過巖性分析得出，據此可判斷出影響長距離輸水隧洞TBM掘進過程的自然特征以及工程活動等相關的影響因素，重點表現為地下涌水、巖溶、泥質沉積巖蠕變等活動[2]。

巖體結構中的最薄弱部位為巖體結構面，具有巖石材料更低的包絡線，在圍巖具有相等的應力水平、堅硬水平下，圍巖穩定性控制的主要影響因素為裂隙分布、結構面。長距離輸水隧洞TBM掘進過程的施工危害性主要是由于節理裂隙組數、地質力學性質、延展長度、閉合程度、產狀等因素所決定的。對隧洞圍巖產生較大危害性的條件主要為節理傾角>30°、隨洞軸線與裂隙走向<40°。詳見圖2。

圖2 巖石材料及巖體結構面強度包絡線

在斷層破碎帶、強風化帶、發育巖溶區進行長距離輸水隧洞TBM掘進過程中，屬于特殊地質條件，存在斷裂構造巖，在地質分布上存在節理裂隙密集、巖層松軟破碎的特征，圍巖與松散介質之間具有一定的相似性，圍巖穩定難度較大。其中表現最為明顯的部分為向斜盆地的糟皺地區以及幾條斷層交會地帶，在長距離輸水隧洞TBM掘進過程中應當對此充分注意。

2.2 巖體力學性質

工程巖體穩定性在很大程度上受巖體的變形與強度特性等因素的影響，在節理裂隙發育時，圍巖穩定性受到多種因素的影響，包括巖體塑性、脆性、膨脹性、各向異性、擴容性、流變性等，對圍巖穩定性造成了不同程度的不良影響。由于各項異性的存在往往使得圍巖出現變形形態、非對稱性的失穩等特征。巖體的膨脹性會導致支護結構出現嚴重的底鼓或者擠壓破壞現象，脆性主要表現為工程在施工過程中會出現巖爆、工程巖體的剝落開裂等現象。

由于塑性和擴容性等因素的存在，會使得工程隧洞圍巖出現松散破碎以及支護結構被擠壓破壞等現象，由于粘塑性的形變壓力的存在往往導致巖體中出現具有時間效應的巖鹽。長距離輸水隧洞TBM掘進過程中較為常見的破壞形式是剪切破壞以及受拉破壞，因此在工程施工過程中可以對巖體的抗剪強度以及抗拉強度采用內試驗或者現場試驗方式。在對巖體穩定性分析層面巖體的應力應變關系也起著重要作用。可以采用巖體特性的力學模型進行數值計算的相關數值計算。

2.3 初始應力場

洞室挖后應力重分布的危險程度主要是由初始應力場的方向、大小以及性質所決定，圍巖穩定的基本因素之一即是初始應力場。

在高地應力時，巖層若軟弱破碎，在掘進過程中容易出現擠出、底鼓、遺曲等劇烈變形現象，若巖石較為完整與堅硬，則容易出現巖爆災害、側壁開裂等現象，由此可見地應力的重要影響。自重應力、構造應力共同構成初始應力場，我國具有較為復雜的地質結構，地質構造較為復雜，在淺層地質之中也具有垂直應力。在長距離輸水隧洞TBM掘進過程中若具有過小的巖石強度應力比，在施工過程中很容易發生強巖爆現象，會使得圍巖變形或者被破。圍巖穩定性同時也受到洞軸線方向、最大水平主應力等因素的影響，在兩者達到垂直狀態下，隧洞圍巖的穩定性會受到較大的不良影響[3]。為了促進工程的順利進行，提升圍巖穩定性，在長距離輸水隧洞TBM掘進中要求改善隧洞圍巖情況，可選擇與最大水平主應力方向平行的隧洞軸線。

2.4 地下水

隊洞的穩定受到巖洞周圍力學、水力學等因素的影響，因此地下水也具有一定的影響作用。在靜水壓力下含孔隙巖石或巖體裂隙會降低有效應力，不利于工程的順利施行。隧道工程的施工出現了新的排水通道，出現了指向洞內的滲壓梯度，使得圍巖向隧洞內的移動速度加快。由于較高的含水量以及飽和度，會顯著降低巖石的強度與變形模量，可能會出現劇烈膨脹現象，裂隙面點聚力、內摩擦角也隨之顯著降低，破壞了圍巖的穩定性[4]。地下水的大量活動也加快了圍巖的侵蝕作用與泥化作用，降低了圍巖強度。

2.5 施工因素

圍巖質量不直接受到工程施工的影響，但是工程施工的進行對隧洞尺寸、施工工藝、形狀、方位、支護方式等層面具有顯著的影響作用。在施工中應當就結合隊洞應力分布情況設置相應的施工方式。應當結合隧洞與地質構造間的尺寸效應設置隨洞尺寸，矩形和橢圓形隧洞的應力分布往往弱于圓形隊洞。在最大水平主應力方向平與隧洞軸線方位平行的情況下，能夠促進圍巖穩定性。反之，兩者若正交，則破壞了圍巖穩定性。與鉆爆法施工方式相比，掘進機施工方式對圍巖所產生的影響往往較小。長距離輸水隧洞TBM掘進施工方式具有顯著優勢。采用管片襯砌支護、錨噴支護方式能夠顯著促進圍巖的穩定性。施工方法對圍巖穩定的影響，見表1。

表1 施工方法對圍巖穩定的影響

3 結 語

文章對長距離輸水隧洞TBM掘進過程的圍巖穩定性進行了有效探討，從地質結構、巖體力學性質、初始應力場、地下水、施工因素等層面分析了長距離輸水隧洞TBM掘進過程圍巖穩定性，能夠促進隧洞工程施工的順利進行。